Técnicas de cross-layer para optimização do desempenho em comunicações móveis

Texto

(1)Universidade de Aveiro Departamento de Electrónica e Telecomunicações 2005. João Miguel Vela dos Reis. Técnicas de Cross-Layer para Optimização do Desempenho em Comunicações Móveis.

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(3) Universidade de Aveiro Departamento de Electrónica e Telecomunicações 2005. João Miguel Vela dos Reis. Técnicas de Cross-Layer para Optimização do Desempenho em Comunicações Móveis. Dissertação apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrónica e Telecomunicações, realizada sob a orientação científica do Doutor Atílio Manuel da Silva Gameiro, Professor Associado do Departamento de Engenharia Electrónica e Telecomunicações da Universidade de Aveiro.

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(5) o júri presidente. Doutor José Carlos da Silva Neves Professor Catedrático da Universidade de Aveiro. vogais. Doutor Atílio da Silva Gameiro Professor Associado da Universidade de Aveiro. Doutor Adriano Jorge Cardoso Moreira Professor Associado da Escola de Engenharia da Universidade do Minho.

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(7) agradecimentos. Este espaço é dedicado àqueles que deram a sua contribuição para que esta dissertação fosse realizada. A todos eles deixo aqui o meu agradecimento sincero. Desejo expressar o meu reconhecido agradecimento ao Prof. Doutor Atílio Gameiro que propôs e orientou esta dissertação de Mestrado. As notas dominantes da sua orientação foram a utilidade das suas recomendações e a cordialidade com que sempre me recebeu. Quero também deixar uma palavra de agradecimento aos meus colegas de grupo pelo ambiente de camaradagem e pelo companheirismo que demonstraram. Ao Instituto de Telecomunicações – Pólo de Aveiro pelas condições de trabalho que me proporcionaram. De uma forma muito especial aos meus pais e irmãos pelo apoio e motivação..

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(9) palavras-chave. cross-layer, optimização multi-camada, modelo OSI, protocolo MAC, scheduling, sistemas de 4G, sistemas celulares, técnicas de acesso múltiplo, MC-CDMA, qualidade de serviço, redes 4G. resumo. O presente trabalho propõe-se a estudar e explorar técnicas de cross-layer para optimização do desempenho em comunicações móveis, mais especificamente algoritmos adaptativos para alocação de recursos rádio da camada MAC em redes de comunicações móveis vocacionadas para tráfego de pacotes. Para tal, realiza-se inicialmente uma descrição da evolução das comunicações e tecem-se algumas considerações no que diz respeito às tendências e características dos serviços das futuras redes de comunicações móveis, denominadas de redes de 4ª geração. Em seguida, introduz-se e define-se o conceito de cross-layer em sistemas de comunicações móveis. Descrevem-se os princípios e desafios em que assenta uma arquitectura de rede baseada numa abordagem cross-layer. Com base nestes princípios, propõem-se e descrevem-se algoritmos de alocação de recursos rádio (scheduling de pacotes) a nível da camada MAC para cenários 4G, segundo uma concepção cross-layer da arquitectura de rede. Os algoritmos de scheduling propostos baseiam-se em assegurar alguma justiça na atribuição dos recursos disponíveis, enquanto ao mesmo tempo se exploram estratégias oportunistas de alocação de recursos para aumentar o throughput do sistema. Os resultados demonstram de que se podem extrair ganhos significativos se a optimização de um sistema de comunicações móveis passar por uma maior interacção e cooperação entre as camadas protocolares da arquitectura de rede..

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(11) keywords. cross-Layer design, OSI Model, MAC Protocol, scheduling, RRM, MC-CDMA, cellular networks, multiple access techniques, quality of service, 4G networks. abstract. This thesis explores cross-layer design for resource allocation in MAC layer for wireless packet switched data networks, such as cellular networks. The main objective is to improve the system performance by incorporating the information from the physical layer and the network layer into the design of resource management. To achieve that goal, we first review the evolution of mobile communications, and identify the current main trends in the definition of 4G networks. Then we address the issue of cross-layer design and outline the basic principles and challenges and discuss the tradeoffs involved. Based on these principles we describe, analyse and evaluate packet scheduling algorithms for the downlink of cellular systems. We present algorithms that jointly exploit the temporal variation in users channel conditions to opportunistically select users with best potential, while also ensuring that resource allocation fairness and Quality of service (QoS) constraints are satisfied. The results show that it is possible to set significant gains, if the system optimizes the performance by making use of the interaction across protocol layers..

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(13) “If we Knew what it was we were doing, it would not be called research, would it?” Albert Einstein (1879-1955).

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(15) Índice Lista de Acrónimos.........................................................................................................xxiii Lista de Símbolos ...........................................................................................................xxvii 1 Introdução ........................................................................................................................ 1 1.1 Enquadramento e Motivação ................................................................................................... 1 1.2 Objectivos e Estrutura da Dissertação ..................................................................................... 2 1.3 Principais Contribuições .......................................................................................................... 2. 2 Evolução das Comunicações Móveis.............................................................................. 2 2.1 Perspectiva Histórica ............................................................................................................... 2 2.1.1 Sistemas de 1ª Geração (1G)........................................................................................... 2 2.1.2 Sistemas de 2ª Geração (2G)........................................................................................... 2 2.1.3 Sistemas de 2.5ª Geração (2.5G)..................................................................................... 2 2.1.4 Sistemas de 3ª Geração (3G)........................................................................................... 2 2.2 Futuras Gerações de Comunicações Móveis (4G) ................................................................... 2. 3 Princípios e Técnicas em Comunicações Móveis .......................................................... 2 3.1 Sistemas Celulares ................................................................................................................... 2 3.2 Propriedades do Canal Rádio................................................................................................... 2 3.2.1 Atenuação ....................................................................................................................... 2 3.2.2 Desvanecimento Lento.................................................................................................... 2 3.2.3 Desvanecimento Rápido ................................................................................................. 2 3.2.4 Desfasamento de Doppler............................................................................................... 2 3.3 Técnicas de Acesso Múltiplo ................................................................................................... 2 3.3.1 Acesso Múltiplo por Divisão na Frequência................................................................... 2 3.3.2 Acesso Múltiplo por Divisão no Tempo ......................................................................... 2 3.3.3 Acesso Múltiplo por Divisão no Código......................................................................... 2 3.3.4 Técnicas de Acesso Múltiplo para Sistemas de 4G ........................................................ 2 3.4 Técnicas de Modulação............................................................................................................ 2. xv.

(16) Técnicas de Cross-Layer para Optimização do Desempenho em Comunicações Móveis. 3.4.1 Modulação Adaptativa .................................................................................................... 2. 4 Técnicas de Cross-Layer.................................................................................................. 2 4.1 Modelo de Referência ISO/OSI ............................................................................................... 2 4.2 Cross-Layer em Comunicações Móveis .................................................................................. 2 4.2.1 Motivação em Redes de Comunicações Móveis............................................................. 2 4.2.2 Princípios da Concepção Cross-Layer ............................................................................ 2 4.2.3 Estado da Arte................................................................................................................. 2 4.3 Vantagens e Desvantagens da Concepção Cross-Layer .......................................................... 2 4.3.1 Vantagens........................................................................................................................ 2 4.3.2 Desvantagens .................................................................................................................. 2. 5 Algoritmos Adaptativos de Alocação de Recursos ....................................................... 2 5.1 Alocação de Recursos em Comunicações Móveis................................................................... 2 5.1.1 Diversidade Multi-utilizador........................................................................................... 2 5.2 Modelo do Sistema................................................................................................................... 2 5.2.1 Cenário Celular ............................................................................................................... 2 5.2.2 Propriedades da Camada Física ...................................................................................... 2 5.2.3 Modelo de Canal ............................................................................................................. 2 5.2.4 Modelo de Interferência .................................................................................................. 2 5.2.5 Modelos de Tráfego ........................................................................................................ 2 5.3 Algoritmo de Scheduling Proposto .......................................................................................... 2 5.3.1 Função de Prioridade ...................................................................................................... 2 5.4 Resultados da Simulação ......................................................................................................... 2 5.4.1 Métricas de Avaliação do Desempenho .......................................................................... 2 5.4.2 Dados de Configuração da Simulação ............................................................................ 2 5.4.3 Apresentação e Discussão de Resultados........................................................................ 2 5.5 Conclusões ............................................................................................................................... 2. 6 Estratégias Conjuntas de Alocação de Recursos e Selecção de Modulação............... 2 6.1 Modulação Adaptativa ............................................................................................................. 2 6.1.1 Algoritmo de Selecção de modulação............................................................................. 2 6.2 Algoritmo Conjunto de Scheduling e Modulação .................................................................... 2 6.2.1 Descrição do Algoritmo .................................................................................................. 2 6.2.2 Discussão e Apresentação de Resultados........................................................................ 2 6.3 Conclusões ............................................................................................................................... 2. 7 Considerações Finais....................................................................................................... 2 7.1 Principais Conclusões .............................................................................................................. 2 7.2 Perspectivas de Trabalho Futuro.............................................................................................. 2. xvi.

(17) Índice. A Simulador de Sistema..................................................................................................... 2 A.1 Estrutura do Simulador ........................................................................................................... 2 A.2 Domínio da Coordenação de Tarefas...................................................................................... 2 A.2.1 Gerador de Eventos........................................................................................................ 2 A.3 Domínio da Interacção Humana.............................................................................................. 2 A.4 Domínio de Resultados ........................................................................................................... 2 A.5 Domínio do Problema ............................................................................................................. 2 A.5.1 Modelo de Canal ............................................................................................................ 2 A.5.2 Modelo de Mobilidade ................................................................................................... 2 A.5.3 Interface com a Camada Física ...................................................................................... 2 A.5.4 Modelos de Tráfego ....................................................................................................... 2 A.5.5 Esquema ARQ................................................................................................................ 2 A.5.6 Alocação Dinâmica de Recursos.................................................................................... 2. Referências Bibliográficas .................................................................................................. 2. xvii.

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(19) Índice de Figuras Figura 2.1 – Cenário de uma arquitectura de rede All-IP...................................................... 2 Figura 2.2 – Panorama dos sistemas sem fios actuais e futuros ............................................ 2 Figura 3.1 – Ilustração do conceito de sistema celular.......................................................... 2 Figura 3.2 – Efeitos da propagação do canal rádio................................................................ 2 Figura 3.3 – Componente de desvanecimento rápido (fastfading)........................................ 2 Figura 3.4 – Ilustração da técnica acesso múltiplo FDMA ................................................... 2 Figura 3.5 – Ilustração da técnica de acesso múltiplo TDMA .............................................. 2 Figura 3.6 – Ilustração da técnica de acesso múltiplo CDMA .............................................. 2 Figura 3.7 – Portadoras OFDM ortogonais ........................................................................... 2 Figura 3.8 – Transmissor MC-CDMA .................................................................................. 2 Figura 3.9 – Receptor MC-CDMA........................................................................................ 2 Figura 3.10 – Modulação Adaptativa .................................................................................... 2 Figura 4.1 – Modelo de Referência ISO/OSI ........................................................................ 2 Figura 4.2 – Arquitectura de rede clássica versus cross-layer .............................................. 2 Figura 4.3 – Modelo para sinalização de informação cross-layer......................................... 2 Figura 5.1 – Modelo do sistema ............................................................................................ 2 Figura 5.2 – Representação do cenário celular...................................................................... 2 Figura 5.3 – Mapa de recursos da camada física................................................................... 2 Figura 5.4 – Esquema de segmentação dos pacotes IP ......................................................... 2 Figura 5.5 – Esquema do algoritmo de scheduling ............................................................... 2 Figura 5.6 – Função de fiabilidade de transmissão – W1 ....................................................... 2 Figura 5.7 – Função de TimeOut – W2 .................................................................................. 2 Figura 5.8 – Ilustração da função de prioridade para o serviço de voz ................................. 2 Figura 5.9 – Ilustração da função de prioridade para o serviço de dados.............................. 2 Figura 5.10 – Throughput de serviço em função do tráfego total oferecido ......................... 2. xix.

(20) Técnicas de Cross-Layer para Optimização do Desempenho em Comunicações Móveis. Figura 5.11 – Rácio de utilizadores satisfeitos em função do tráfego oferecido .................. 2 Figura 5.12 – Função cumulativa dos atrasos dos utilizadores de voz ................................. 2 Figura 5.13 – Função cumulativa de PER dos utilizadores de voz ....................................... 2 Figura 5.14 – Função cumulativa dos atrasos dos utilizadores de dados.............................. 2 Figura 5.15 – Função cumulativa de PER dos utilizadores de dados ................................... 2 Figura 6.1 – Esquema de selecção de modulação ................................................................. 2 Figura 6.2 – Esquema de scheduling e selecção de modulação ............................................ 2 Figura 6.3 – Função W1 para o conjunto de modulações ...................................................... 2 Figura 6.4 – Throughput de serviço em função do tráfego oferecido ................................... 2 Figura 6.5 – Rácio de utilizadores satisfeitos em função do tráfego oferecido .................... 2 Figura A.1 – Estrutura do simulador de sistema ................................................................... 2 Figura A.2 – Diagrama de blocos de Shadowing .................................................................. 2 Figura A.3 – Diagrama para geração da componente fastfading .......................................... 2 Figura A.4 – Estrutura do tráfego de pacotes........................................................................ 2. xx.

(21) Índice de Tabelas Tabela 2.1 – Evolução dos sistemas de comunicações móveis ............................................. 2 Tabela 5.1 – Parâmetros de Shadowing................................................................................. 2 Tabela 5.2 – Parâmetros de simulação da camada física....................................................... 2 Tabela 5.3 – Parâmetros do algoritmo de scheduling proposto............................................. 2 Tabela 5.4 – Parâmetros associados à definição de utilizador satisfeito ............................... 2 Tabela 6.1 – Parâmetros do algoritmo de scheduling conjunto............................................. 2 Tabela A.1 – Atrasos e amplitudes das componentes multi-percurso do canal BRAN E..... 2 Tabela A.2 – Tabela look-up para modulação QPSK............................................................ 2 Tabela A.3 – Tabela look-up para modulação 16QAM......................................................... 2 Tabela A.4 – Tabela look-up para modulação 64QAM......................................................... 2. xxi.

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(23) Lista de Acrónimos 1G. First Generation. 2G. Second Generation. 3G. Third Generation. 3GPP. 3rd Generation Partnership Project. 4G. Fourth Generation. AM. Amplitude Modulation. AMC. Adaptive Modulation and Coding. AMPS. Advanced Mobile Phone Service. ARQ. Automatic Repeat Request. ASK. Amplitude Shift Keying. BCH. Broadcast Channel. BER. Bit Error Rate. BLER. Block Error Rate. BPSK. Binary Phase Shift Keying. BRAN. Broadband Radio Access Networks. BSC. Base Station Controller. CBR. Constant Bit Rate. CDF. Cumulative Distribution Function. CDMA. Code Division Multiple Access. CLI. Cross-layer Information. CPICH. Common Pilot Channel. CRC. Cyclic Redundancy Check. CS. Circuit Switch. CSI. Channel State Information. CSMA/CD. Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection. xxiii.

(24) Técnicas de Cross-Layer para Optimização do Desempenho em Comunicações Móveis. DCS. Digital Cellular System. DL. Downlink. DQP. Dynamic Queue Protocol. DS-CDMA. Direct Sequence Code Divion Multiple Access. ECN. Explicit Congestion Notification. EDGE. Enhanced Data for Global Evolution. FDD. Frequency Division Duplex. FDM. Frequency Division Multiplexing. FDMA. Frequency Division Multiple Access. FFT. Fast Fourier Transform. FIFO. First In First Out. FM. Frequency Modulation. FSK. Frequency Shift Keying. GGSN. Gateway GPRS Support Node. GPRS. General Packet Radio Service. GSM. Global System for Mobile Communications. HDTV. High Definition Television. HSCSD. High Speed Circuit Switched Data. HSDPA. High Speed Data packet Access. ICI. Inter Carrier Interference. ICMP. Internet Control Message Protocol. IEEE. Institute of Electrical and Electronics Engineers. IFFT. Inverse Fast Fourier Transform. IP. Internet Protocol. IS-136. Interim Standard 136. IS-95. Interim Standard 95. ISI. Inter Symbol Interference. ISO. International Standards Organization. LLC. Logical Link Control. LOS. Line Of Sight. MAC. Medium Access Control. MAI. Multiple Access Interference. MC. Multi Carrier. xxiv.

(25) Lista de Acrónimos. MC-CDMA. Multi Carrier Code Divion Multiple Access. MIMO. Multiple Input Multiple Output. MMS. Multimedia Message Service. MSC. Mobile Switching Center. MUD. Multi User Detection. NLOS. Non Line of Sight. NMT. Nordic Mobile Telephone. OFDM. Orthogonal Frequency Division Multiplexing. OSI. Open Systems Interconnection. PAPR. Peak to Average Power Ratio. PER. Packet Error Rate. PHY. Physical Layer. PM. Phase Modulation. PS. Packet Switch. PSK. Phase Shift Keying. PSTN. Public Switched Telephone Network. QAM. Quadrature Amplitude Modulation. QoS. Quality of Service. QPSK. Quadrature Phase Shift Keying. RF. Radio Frequency. RNC. Radio Network Controller. SGSN. Serving GPRS Support Node. SINR. Signal to Interference and Noise Ratio. SMS. Short Message Service. SNR. Signal to Noise Ratio. TACS. Total Access Communication System. TCP. Transmission Control Protocol. TDD. Time Division Duplex. TDMA. Time Division Multiple Access. TTI. Time Transmission Interval. UL. Uplink. UMTS. Universal Mobile Telecommunications system. VoIP. Voice over IP. xxv.

(26) Técnicas de Cross-Layer para Optimização do Desempenho em Comunicações Móveis. WCDMA. Wideband CDMA. WLAN. Wireless Local Area Network. xxvi.

(27) Lista de Símbolos Ai. Potencia da componente multi-percurso i. G. Ganho de processamento. hi(t). Amplitude complexa da resposta impulsional. SF. Comprimento do código de espalhamento. v. Velocidade de deslocamento. λ. Comprimento de onda. τi. Atraso da componente multi-percurso i. xxvii.

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(29) Capítulo. 1. Introdução. O. S sistemas de comunicações móveis são actualmente populares a nível mundial na ajuda. que. prestam na. comunicação. entre. maquinas. e. entre. pessoas,. independentemente da sua localização. Nos últimos vinte anos as comunicações móveis. têm-se tornado num produto de consumo, em algumas áreas os telefones móveis, chegam mesmo a ser mais comuns do que os telefones de rede fixa. Actualmente, enquanto os operadores e prestadores de serviços instalam e desenvolvem a 3ª geração de comunicações móveis, a comunidade científica tem realizado pesquisas e apresentado ideias para a futura geração de sistemas de comunicações móveis, designados de 4ª geração. Entre alguns desafios destacam-se as altas taxas de transmissão (até 1 Gbps), comunicações multimédia, roaming global, gestão da qualidade de serviço, integração e compatibilidade entre os actuais e futuros sistemas de comunicações, maior capacidade, menor custo e serviços baseados numa arquitectura, totalmente, baseada em comutação de pacotes (All-IP).. 1.1 Enquadramento e Motivação Os telefones móveis continuam, ainda, a ser usados, principalmente, para comunicações de voz. No entanto, o uso extensivo de mensagens de texto, denominadas Short Message Service (SMS) e mais recentemente, mensagens multimédia, Multimédia Message Service (MMS), são indicadores de que os utilizadores estão cada vez mais interessados em usar os telefones móveis como terminais de dados. A testemunhar o crescimento das necessidades. 1.

(30) Técnicas de Cross-Layer para Optimização do Desempenho em Comunicações Móveis. de serviços de dados está o aparecimento das redes locais sem fios (WLAN), especificadas e definidas pelo IEEE, como uma tecnologia que opera numa variedade de espectros rádio, incluindo o infravermelho. Com o rápido crescimento da Internet e introdução dos sistemas celulares de 3ª geração, os futuros sistemas de comunicações móveis tem sido desenvolvidos e especificados no sentido de suportarem uma grande diversidade de aplicações de dados, que vão desde aplicações sem requisitos temporais (non-real-time) até aplicações de tempo real (video streaming). No entanto, as características dos sistemas de comunicações móveis proporcionam um enorme desafio para um transporte fiável do tráfego associado às aplicações mencionadas anteriormente, uma vez que os dados transmitidos sobre canais rádio são altamente sensíveis ao ruído, interferências e propagação multi-percurso, que podem causar a perca de pacotes. As actividades de investigação decorrentes no campo das comunicações móveis estão concentradas no desenvolvimento de sistemas capazes de satisfazerem um conjunto rigoroso de requisitos de qualidade de serviço (QoS), nomeadamente em termos de throughput, atrasos e taxas de erros. No sentido de satisfazer as necessidades de qualidade de serviço, inerentes às aplicações para redes de 4ª geração, têm sido melhoradas e introduzidas novas funcionalidades a nível da camada física. Contudo, a exigência em termos de qualidade de serviço das referidas aplicações tem levado a uma reavaliação da concepção da estrutura de suporte aos sistemas de comunicações móveis. Um aspecto importante subjacente a sistemas de comunicações móveis é o comportamento dinâmico. Uma arquitectura de rede baseada em camadas protocolares tem sido a metodologia dominante em sistemas de telecomunicações. Uma característica essencial deste princípio é a independência entre as camadas e portanto, uma troca de informação numa visão mais alargada é considerada como uma violação. Nestes casos, os protocolos são concebidos para operar sob as piores condições, em vez de adaptarem o seu funcionamento à variabilidade das condições do canal rádio. A manutenção de uma abordagem estritamente apoiada em camadas protocolares independentes, em que a concepção isolada de cada camada carece de informação das outras camadas, poderá resultar em ineficiências na implementação dos protocolos, resultado da inflexibilidade do. 2.

(31) Capítulo 1 – Introdução. sistema para se adaptar, por exemplo, às constantes alterações das condições de canal, características de um sistema de comunicações móveis. Recentemente, com o objectivo de melhorar o desempenho dos sistemas de comunicações móveis, que são substancialmente diferentes, em determinados aspectos, dos sistemas de comunicações de rede fixa, tem crescido o interesse numa arquitectura de rede baseada numa abordagem cross-layer que fomenta uma adaptabilidade e optimização multi-camada das diferentes camadas da pilha protocolar de rede [1, 2]. A ideia subjacente ao conceito de cross-layer centra-se em conseguir adaptar o funcionamento de uma determinada camada protocolar através do conhecimento de determinados parâmetros e características relacionadas com as outras camadas. Em sistemas de comunicações móveis a qualidade de canal vária drasticamente, quer no tempo, quer na frequência. O conhecimento do estado do canal poderá ser explorado pelo sistema no sentido de melhorar significativamente o desempenho. A direcção tomada no sentido de se conseguirem atingir eficiências espectrais mais elevadas passa pela utilização adaptativa da variabilidade do ambiente rádio e fontes de interferência. Adaptabilidade na camada física pode ser usada em todas as dimensões: tempo, frequência, potência e espaço. A adaptabilidade pode, no entanto, ser estendida para as camadas superiores no sentido de melhorar a performance do sistema, exemplo disso é a política de alocação dinâmica de recursos multi-utilizador. Num sistema multi-utilizador, diferentes utilizadores sofrem diferentes condições de canal que são variáveis no tempo, portanto se as condições de canal de cada um dos utilizadores forem conhecidas à priori, então políticas adaptativas de alocação de recursos poderão ser usadas de forma a aumentar a eficiência do sistema [3, 4]. Outra forma de explorar o conhecimento à priori das condições de canal, passa, também, pela combinação de estratégias de scheduling e adaptação de ligação (link adaptation), nesse sentido, por exemplo, a potência transmitida, a técnica de codificação e modulação seriam adaptadas no sentido de explorar a capacidade máxima do canal rádio [5, 6]. Ambos os esquemas requerem que as condições de recepção, isto é, os estados de canal rádio, sejam conhecidos antecipadamente no transmissor.. 3.

(32) Técnicas de Cross-Layer para Optimização do Desempenho em Comunicações Móveis. Uma arquitectura de rede baseada em camadas protocolares independentes tem sido uma das razões chave por detrás do crescimento explosivo e continuado da Internet. Há no entanto, redes especiais nas quais uma concepção de rede cross-layer é apropriada e muitas vezes necessária. Portanto, acreditamos que uma optimização do sistema de comunicações móveis, segundo uma perspectiva de optimização cross-layer poderá trazer ganhos significativos no desempenho de um sistema de comunicações móveis. Motivação suficiente para dedicarmos neste trabalho atenção aos princípios, desafios e benefícios proporcionados por uma concepção de rede segundo uma abordagem cross-layer.. 1.2 Objectivos e Estrutura da Dissertação O objectivo concreto desta dissertação é estudar e avaliar os benefícios que podem advir das técnicas de cross-layer para optimização do desempenho em comunicações móveis, mais especificamente na alocação de recursos rádio de uma forma dinâmica e adaptação de ligação (link adaptation) em redes de comunicações móveis vocacionadas para tráfego multimédia e baseadas numa arquitectura All-IP. A dissertação está organizada em 7 capítulos e 1 anexo, que se descrevem seguidamente. O primeiro capítulo é dedicado às notas introdutórias e motivações que norteiam este trabalho. No segundo capítulo direcciona-se a atenção para uma descrição da evolução dos sistemas de comunicações móveis. Além disso, apresenta-se também, uma perspectiva e tendências dos serviços e características das futuras redes de comunicações móveis, denominadas de redes de 4ª geração. O terceiro capítulo é dedicado a uma breve descrição e abordagem de algumas técnicas e princípios que se consideram importantes e determinantes não só na abordagem e desenvolvimento de um sistema de comunicações móveis, mas fundamentalmente, para o devido enquadramento do trabalho realizado no âmbito desta dissertação No quarto capítulo começa-se por abordar e rever o modelo de referência OSI, como ponto de partida para a introdução e definição do conceito de cross-layer emergente, sobretudo, em sistemas de comunicações móveis. Neste capítulo, descrevem-se os princípios e desafios em que assenta uma arquitectura de rede baseada numa abordagem cross-layer.. 4.

(33) Capítulo 1 – Introdução. No quinto capítulo abordam-se os conceitos relacionados com algoritmos de scheduling da camada MAC em comunicações móveis. Apresenta-se, também, uma descrição e análise de um algoritmo de alocação de recursos rádio (scheduling) para cenários 4G, numa abordagem adaptativa apoiada por uma concepção cross-layer da arquitectura de rede. No sexto capítulo, à semelhança do capítulo 5, propõe-se um algoritmo de scheduling, mas agora considerando e incluindo no algoritmo a componente de adaptação de ligação, mais especificamente, modulação adaptativa. Finalmente, o sétimo capítulo dá conta das principais conclusões, tecendo considerações de vária ordem sobre o trabalho realizado e aponta caminhos para investigações futuras. Em anexo, faz-se uma descrição da estrutura do simulador de sistema usado na aquisição dos resultados de simulação obtidos nos capítulos 5 e 6.. 1.3 Principais Contribuições As principais contribuições do trabalho descrito nesta dissertação podem-se resumir da seguinte forma: • Estudo e abordagem dos conceitos de suporte às técnicas de cross-layer na área das comunicações móveis. • Estudo do impacto no desempenho de uma rede de comunicações móveis de algoritmos de scheduling adaptativos da camada MAC, suportados por uma arquitectura de rede cross-layer.. 5.

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(35) Capítulo. 2. Evolução das Comunicações Móveis. A. capacidade de comunicar associada à mobilidade sofreu um desenvolvimento notável desde a primeira demonstração, realizada por Guglielmo Marconi em 1897,. das possibilidades das comunicações rádio para estabelecer ligações contínuas com os navios que navegavam no canal da Mancha. Desde essa altura que a população mundial tem adoptado novas tecnologias associadas aos serviços de comunicações móveis. Durante os últimos anos, as telecomunicações têm sentido um crescimento rápido. O crescimento das receitas por parte dos operadores de telecomunicações, bem como a entrada no mercado de novos e competitivos operadores, são testemunha do crescimento do mercado das telecomunicações. No entanto, nenhum segmento da indústria sofreu um crescimento tão rápido como a área das comunicações móveis. Nos últimos quinze anos, o número de utilizadores sofreu um crescimento explosivo e com tendências para continuar a crescer no futuro. Os principais factores que justificam a necessidade de especificar novos sistemas de comunicações móveis baseiam-se na necessidade de serviços que os actuais sistemas não podem fornecer. Durante as duas últimas décadas a área das telecomunicações conheceu significantes e revolucionárias alterações. Desde os finais dos anos oitenta que a importância dos sistemas de comunicações móveis evoluiu significativamente. Não reside qualquer dúvida de que os sistemas de comunicações móveis assumiram papel preponderante na evolução da área das telecomunicações desde o início dos anos noventa.. 7.

(36) Técnicas de Cross-Layer para Optimização do Desempenho em Comunicações Móveis. A indústria das telecomunicações tem sido bastante sensível às exigências e necessidades do mercado, de tal forma, que em menos de duas décadas, as comunicações móveis evoluíram desde a geração base (1ª geração) de sistemas analógicos, capazes de suportar serviços de voz, até aos serviços sofisticados oferecidos pelos sistemas de 3ª geração, que são digitais e suportam, tanto serviços de dados como de voz. O sucesso das comunicações móveis nestes últimos anos tem-se devido quase inteiramente aos serviços de voz. Será importante realçar, no entanto, que as aplicações ou tráfego de dados tem vindo a apresentar um crescimento elevado, crescimento da ordem do tráfego de dados nas redes com fios, ou mais usualmente designada rede fixa. O desenvolvimento das comunicações móveis encontra-se, portanto, num momento de viragem. Novos serviços e tecnologias começam a ser introduzidos, as expectativas dos clientes começam a aumentar bem como o grau de competitividade entre os operadores e prestadores de serviços. Com a introdução dos sistemas de 3ª geração (3G) esperam-se trazer benefícios significativos para os utilizadores móveis, incluindo o serviço multimédia numa perspectiva de convergência entre as redes sem fios. Pretende-se com a introdução de novos sistemas oferecer aos utilizadores móveis, comunicações personalizadas independentemente da rede, do terminal e da localização. Neste capítulo, pretende-se fazer uma breve descrição da evolução dos sistemas de comunicações móveis ao longo dos tempos, bem como, apresentar algumas perspectivas e tendências dos serviços e características das futuras redes de comunicações móveis, denominadas de redes de 4ª geração.. 2.1 Perspectiva Histórica As comunicações móveis datam de 1920, quando diversos departamentos de polícia nos Estados Unidos começaram a usar tecnologia rádio móvel, se bem que numa base experimental. Embora a tecnologia da altura tenha tido algum sucesso a nível das embarcações marítimas, esta não era adequada para as designadas comunicações terrestres. O equipamento era extremamente volumoso e a tecnologia rádio da época não permitia ultrapassar os edifícios e obstáculos característicos de uma cidade.. 8.

(37) Capítulo 2 – Evolução das Comunicações Móveis. Os progressos adicionais foram conseguidos em 1930 com o desenvolvimento da teoria de modulação em frequência (FM), o que se tornou numa ajuda considerável para as comunicações do campo de batalha durante a 2ª Guerra Mundial. Os desenvolvimentos prolongaram-se para alem do período de guerra e serviços de comunicações móveis, ainda que muito limitados, tornaram-se disponíveis em 1940 em algumas cidades de grande dimensão. A capacidade limitada destes sistemas levou a que o lançamento comercial de serviços de comunicações móveis levasse alguns anos a ser viável. 2.1.1 Sistemas de 1ª Geração (1G) As comunicações móveis tal como as conhecemos hoje em dia, começaram, realmente, nos finais de 1970, com a instalação de um sistema experimental em Chicago em 1978. O sistema usava a tecnologia conhecida por Advanced Mobile Phone Service (AMPS), operando na banda dos 800 MHz. Por diversas razões, incluindo o desmantelamento da AT&T, levou alguns anos para que um sistema comercial fosse lançado nos Estados Unidos. Tal lançamento, viria a ocorrer em 1983 na cidade de Chicago, expandindo-se rapidamente a outras grandes cidades Americanas. A comunidade Europeia também se mantinha activa, prova disso foi o lançamento do primeiro sistema em 1981, na Suécia, Noruega, Dinamarca e Finlândia. O sistema Europeu usava a tecnologia conhecida como Nordic Mobile Telephone (NMT), que operava na banda dos 450 MHz. Posteriormente, uma versão do sistema NMT foi desenvolvida para operar na banda dos 900 MHz e portanto conhecida por NMT900. Adicionalmente os Ingleses introduziram ainda outro sistema em 1985, conhecido por Total Access Communication System (TACS), projectado para operar na banda dos 900 MHz. O TACS era fundamentalmente uma versão modificada do AMPS [7, 8]. Com a crescente introdução, noutros países dos sistemas apresentados, os serviços de comunicações móveis começaram-se a espalhar pelo globo. Embora se tenham desenvolvido outros sistemas, particularmente na Europa, os sistemas AMPS, NMT e TACS foram certamente os mais bem sucedidos. Os sistemas AMPS, NMT e TACS, designados na literatura como sistemas de 1ª geração (1G), obtiveram um sucesso muito para além do que era esperado. De facto, este sucesso veio expor uma das fraquezas das. 9.

(38) Técnicas de Cross-Layer para Optimização do Desempenho em Comunicações Móveis. tecnologias – capacidade limitada. Consequentemente, foram dedicados esforços para o desenvolvimento dos sistemas de 2ª geração (2G). 2.1.2 Sistemas de 2ª Geração (2G) Ao contrário dos sistemas de 1ª geração, os quais eram sistemas analógicos, a 2ª geração marca a transição para os sistemas digitais. O uso de tecnologia digital apresenta um elevado número de vantagens, nas quais se incluem o aumento de capacidade, maior segurança contra a fraude e a possibilidade de se fornecerem serviços avançados. À semelhança dos sistemas de 1ª geração, foram desenvolvidos vários tipos de tecnologias, donde se destacam, as três mais bem sucedidas, Interim Standard 136 (IS-136), Interim Standard 95 (IS-95) e o Global System for Mobile Communications (GSM) [7]. O IS-136 representa uma evolução do sistema analógico AMPS, em que os canais de controlo e de voz passaram a ser digitais. As bandas de operação destes sistemas centram-se nos 800 MHz e 1900 MHz. O sistema GSM surge no panorama Europeu, com o objectivo de se definir a nível Europeu um sistema digital global, para combater a proliferação de sistemas analógicos incompatíveis. A 1ª rede comercial GSM foi laçada em 1991. Inicialmente, o sistema GSM foi especificado para operar na banda dos 900 MHz. No entanto, posteriormente o GSM foi, também, especificado para funcionar na banda dos 1800 MHz, sistema inicialmente designado por DCS1800. Embora os sistemas IS-136 e GSM apresentem diferenças significativas, ambos usam como interface rádio, a técnica de acesso múltiplo TDMA. O sistema IS-95 surge, particularmente na América do Norte e Coreia, e baseia-se na técnica de acesso CDMA. Os sistemas de 2ª geração suportam, fundamentalmente, serviços de voz com poucas funcionalidades para transmitir dados. 2.1.3 Sistemas de 2.5ª Geração (2.5G) O desenvolvimento da 2.5ª geração constituiu o passo intermédio em direcção às redes de 3ª geração, que foi motivado pelas exigências de melhores serviços de dados e acesso à Internet. Na evolução dos sistemas de comunicações móveis, cada geração nova fornece taxas de transmissão de dados mais elevadas e funcionalidades adicionais, e a 2.5ª geração não é excepção, disponibilizando serviços com taxas de dados mais altas. Em termos técnicos, os sistemas de 2.5ª geração estendem as capacidades dos sistemas de 2ª geração, proporcionando funcionalidades adicionais, tais como, conexões baseadas em tecnologias. 10.

(39) Capítulo 2 – Evolução das Comunicações Móveis. de comutação de pacotes (GPRS) sobre sistemas baseados em TDMA (GSM) e pelo aumento das taxas de transmissão dos dados (HSCSD e EDGE). Estes melhoramentos introduzidos nos sistemas 2.5ª geração permitem, dependendo do sistema, taxas de dados que vão desde os 64 Kbps até aos 384 Kbps, o que possibilita a introdução de serviços de web, fax e envio e recepção de mensagens de correio electrónico (email). 2.1.4 Sistemas de 3ª Geração (3G) À semelhança do aparecimento de novas gerações, a 3ª geração surge também pela necessidade de aumentar as funcionalidades dos sistemas anteriores e responder às exigências do mercado das telecomunicações. Analogamente às gerações anteriores, também na 3G se definiram sistemas diferentes, apesar das tentativas para se especificar um sistema global, por parte das entidades competentes. Portanto, na Europa especificou-se o UMTS, baseado em W-CDMA, enquanto na América do Norte se definiu o CDMA2000 com interface MC-CDMA. O primeiro sistema 3G foi lançado em 2002 no Japão. Os sistemas de 3ª geração foram, na sua fase inicial (release 99), especificados para operarem numa arquitectura baseada em comutação de circuitos e comutação de pacotes, fundamentalmente por razões de compatibilidade com os sistema de comunicações móveis existentes. As especificações mais recentes contemplam uma arquitectura totalmente baseada em comutação de pacotes vocacionada para tráfego multimédia, que demonstra ser mais eficiente e rápida do que os tradicionais sistemas baseados em tecnologias de comutação de circuitos. Os sistemas 3G foram concebidos para disponibilizar uma determinada gama de taxas de transmissão de dados, dependendo das circunstancias (mobilidade, posição) do utilizador. Até 144 Kbps para utilizadores com grande mobilidade (cenário macro celulares), até 384 Kbps para utilizadores pedestres (cenário micro celulares) e até 2 Mbps para utilizadores parados (cenário pico celular).. 2.2 Futuras Gerações de Comunicações Móveis (4G) Enquanto a 3ª geração de comunicações móveis está actualmente a ser implantada, já existe uma actividade significativa de investigação no sentido de desenvolver e definir a futura geração de comunicações móveis, designada de 4ª geração (4G). Os sistemas de. 11.

(40) Técnicas de Cross-Layer para Optimização do Desempenho em Comunicações Móveis. 4ª geração são, simplesmente, uma iniciativa da comunidade científica no sentido de resolver os problemas e limitações dos sistemas de 3ª geração, com a finalidade de proporcionar uma maior diversidade de novos serviços, que poderão ir desde serviços de voz e vídeo de alta definição até serviços de dados de banda larga. A visão Europeia para esta nova geração de comunicações concentra-se numa perspectiva de integração de sistemas baseados numa arquitectura IP que fornecem todo o tipo de serviços de uma forma omnipresente para um conjunto diversificado de terminais. Perspectiva-se portanto, que a futura geração de sistemas de comunicações móveis será baseada em protocolos IP, oferecendo serviços inovadores aos utilizadores finais sobre redes IP. Os objectivos centrar-se-ão em oferecer serviços seamless aos utilizadores através do acesso a uma infra-estrutura baseada em IP, pelo acesso através de tecnologias heterogéneas. Assume-se que o protocolo IP actua como um adesivo, no sentido de se conseguir uma conectividade global, mobilidade entre redes e uma plataforma comum para fornecer serviços através de diferentes tecnologias de redes de acesso [9, 10]. Na Figura 2.1 ilustra-se um cenário possível para uma arquitectura de rede All-IP. Uma rede All-IP pode ser definida como sendo constituída por uma rede central com arquitectura baseada em IP (comutação de pacotes), redes de acesso baseadas em IP e interfaces rádio optimizadas para a entrega de pacotes.. PSTN, CS core gateways. firewall, GGSN, gateway Internet. MSC SGSN. IP-based core router. BSC. GSM. access points private WPAN. RNC public WLAN UMTS. Figura 2.1 – Cenário de uma arquitectura de rede All-IP. 12. private WLAN.

(41) Capítulo 2 – Evolução das Comunicações Móveis. A definição das futuras gerações (4G) passará pela substituição do core das redes celulares por um único core baseado em IP para serviços de vídeo, dados e voz (VoIP), no intuito de construir tecnologias para redes sem fios que permitam a integração de serviços de voz e Internet (dados) num sistema de comunicações móveis baseado no protocolo IP [11, 12]. As vantagens que advém de uma arquitectura All-IP são consideráveis, e passam pela convergência de tráfego de voz e dados numa só rede, eliminado a necessidade de equipamento. típico. numa. arquitectura. de. comutação. de. circuitos,. reduzindo. significativamente os custos associados à implementação e manutenção. Uma rede All-IP traria, igualmente, algumas vantagens no objectivo da integração de sistemas, uma vez que os protocolos IP são compatíveis e independentes da tecnologia de acesso rádio. O uso de protocolos IP permite que a informação seja transportada e acedida de uma forma uniforme e transparente, independentemente do facto da informação ser passiva ou interactiva, armazenada ou em tempo real. Prevê-se que as redes de 4ª geração sejam projectadas no sentido de serem capazes de suportar serviços de banda larga, tais como High Definition Television (HDTV), com taxas de transmissão entre os 4 Mbps e os 20 Mbps e aplicações de Internet com taxas na ordem dos 1 Mbps e 100 Mbps [11]. No entanto, para cobrir esta gama de serviços, os custos dos serviços terão de se reduzir significativamente em comparação com os sistemas de 3G. A Figura 2.2 ilustra o posicionamento dos sistemas de 4ª geração no plano da mobilidade do utilizador versus a taxa de dados (bit rate) por utilizador oferecida pelo sistema.. Pedestre. Sistemas 2G. Mobilidade. Veicular. Sistemas 4G Sistemas 3G. Hip erl an/ 2. Estacionário. 0.03. 0.1. 0.3. 1. 3. 10. 30. 100. Taxa de Dados (Mbps). Figura 2.2 – Panorama dos sistemas sem fios actuais e futuros [13, 14]. 13.

(42) Técnicas de Cross-Layer para Optimização do Desempenho em Comunicações Móveis. A eficiência espectral dos sistemas de 3ª geração é demasiado baixa para se poderem fornecer serviços de banda larga a baixo custo. Consequentemente, um dos objectivos dos sistemas de 4ª geração é melhorar, significativamente, a eficiência espectral [13]. Para se conseguirem atingir as tão desejadas eficiências espectrais, os sistemas deverão sofrer avanços significativos em múltiplos aspectos, tais como, modulação adaptativa [15], gestão adaptativa dos recursos da rede, técnicas de acesso múltiplo [16], sistemas de antenas inteligentes, etc. No que diz respeito à interface rádio, uma das técnicas de acesso múltiplo mais promissoras para satisfazer as necessidades da componente de banda larga em sistemas de 4G é o acesso múltiplo por divisão no código com modulação multi-portadora (MC-CDMA) [17]. Adicionalmente, as redes de 4ª geração deverão, para além de disponibilizarem elevadas taxas de transmissão, proporcionar vários níveis de qualidade de serviço (QoS), de forma a permitir a adaptação da rede às necessidades dos serviços solicitados pelos utilizadores. No sentido de se conseguirem níveis diferenciados de QoS, as redes de comunicações deverão ser concebidas de forma a serem mais flexíveis e adaptativas [18]. Com a intenção de sintetizar a descrição da evolução das comunicações móveis, realizada ao longo deste capítulo, apresentam-se na Tabela 2.1, as características e tecnologias de suporte aos sistemas descritos. Sistemas. Ano. Serviços. Tecnologia. Taxa por Utilizador. Multiplexagem. Arquitectura de rede. 1G. 1981. Voz analógica. AMPS, TACS, NMT. 1,9Kbps. FDMA. Comutação de circuitos. 2G. 1991. Voz digital. IS-136, IS-95, GSM. 14,4Kbps. TDMA, CDMA. Comutação de circuitos. 2.5G. 1999. Voz, Aplicações de dados básicas. GPRS, EDGE. 384Kbps. TDMA. Comutação de circuitos e pacotes. 3G. 2002. Voz, Multimédia. UMTS, CDMA2000. 2Mbps. W-CDMA. Comutação de circuitos e pacotes. 4G. 2012. Aplicações multimédia avançadas. -. 100Mbps. MC-CDMA. Comutação de Pacotes. Tabela 2.1 – Evolução dos sistemas de comunicações móveis. 14.

(43) Capítulo 2 – Evolução das Comunicações Móveis. Na Tabela 2.1, o sombreado da última linha procura traduzir a incerteza das características apontadas para sistemas de 4ª geração. Neste momento, ainda não é muito claro, qual a direcção a tomar na especificação dos respectivos sistemas. Da análise da Tabela 2.1, verificamos que a evolução dos sistemas é marcada por uma transição de uma arquitectura de comutação de circuitos para uma arquitectura, totalmente, baseada em comutação de pacotes. Associado a este facto, não deixa de estar o aumento da qualidade e características dos serviços disponibilizados pelas gerações mais recentes. Importa ainda, mencionar a evolução nas tecnologias de interface rádio desde o elementar acesso múltiplo por divisão na frequência (FDMA) até às técnicas mais avançadas, como é o caso do acesso múltiplo por divisão no código com modulação multi-portadora. Naturalmente, a esta evolução está ligado o aumento da largura de banda fomentada pela introdução de novos serviços com maiores exigências de largura de banda.. 15.

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(45) Capítulo. 3. Princípios e Técnicas em Comunicações Móveis. N. A avaliação do desempenho de um sistema de comunicações móveis, surgem diversos aspectos e factores a ter em conta. Estes factores dependem, fortemente,. das características do canal rádio, tais como, o desvanecimento (fading), a distorção multi-percurso e a rápida variação das condições do canal de propagação. Um dos elementos cruciais destes sistemas é a técnica de acesso ao meio, que define a forma pela qual um recurso comum (largura de banda do canal de comunicação) é partilhado entre os utilizadores do sistema. Esquemas de acesso múltiplo, que suportem serviços multimédia, devem ser concebidos de forma a possibilitar uma partilha flexível da largura de banda, permitindo aos utilizadores apoderarem-se de uma determinada largura de banda conforme as necessidades. Este capítulo dedica-se a uma breve descrição e abordagem de algumas técnicas e princípios que se consideram importantes e determinantes não só na abordagem e desenvolvimento de um sistema de comunicações móveis, mas também necessários, para o devido enquadramento do trabalho realizado no âmbito desta dissertação.. 3.1 Sistemas Celulares As redes tradicionais de 1ª geração, que procuravam cobrir grandes áreas através do aumento da potência de transmissão das estações base, demonstraram ser inapropriadas para servir o crescente número utilizadores. Nestas redes, um canal rádio alocado era retido,. 17.

(46) Técnicas de Cross-Layer para Optimização do Desempenho em Comunicações Móveis. tanto tempo quanto possível, mesmo se o receptor já se tivesse movido para outra área de serviço. Como consequência da delimitação física de uma determinada área de serviço não ser rigorosamente definida, imponha-se o uso de canais rádio diferentes nas áreas de serviço vizinhas, no sentido de eliminar a interferência. Em zonas com uma densidade de utilizadores elevada este tipo de abordagem exigia um grande número de canais rádio, o que no entanto, estava restringido dada a escassez de espectro rádio disponível. A deficiente utilização do espectro de frequências neste tipo de redes rádio e o aumento do número de utilizadores de serviços rádio móvel, levaram ao desenvolvimento e introdução do conceito de redes celulares. A noção de rede celular baseia-se em dividir uma grande área, na qual é esperado o fornecimento de serviços rádio, em áreas de cobertura geográficas mais pequenas, designadas por células [8]. Em cada célula existe uma estação base que contém o equipamento necessário à transmissão e recepção rádio (Figura 3.1).. Figura 3.1 – Ilustração do conceito de sistema celular. As células são, geralmente, representadas idealmente por hexágonos regulares. Contudo, devido à topografia e condições de propagação do ambiente, isto retrata apenas uma boa aproximação do que realmente ocorre. Na realidade, as células apresentam bastantes irregularidades na sua forma geométrica, de tal forma, que são projectadas de modo a haver uma sobreposição entre as células vizinhas, possibilitando à estação móvel a selecção da célula mais adequada em situações fronteira. A área de cobertura de uma célula depende de vários factores, entre os quais se destacam a potência de transmissão da. 18.

(47) Capítulo 3 – Princípios e Técnicas em Comunicações Móveis. estação base, a potência de transmissão da estação móvel, a altura das antenas da estação base e a topologia do terreno. Em redes celulares a baixa potência de transmissão das estações base possibilita a alocação de determinadas frequências apenas em áreas de serviço, estritamente definidas, de cada célula. Permitindo o re-uso destas frequências a uma distância de re-uso predeterminada. A alocação de frequências numa célula depende da tecnologia de acesso múltiplo em questão. Na maior parte de sistemas baseados em FDMA, é atribuído um conjunto de frequências a uma determinada célula, e essas mesmas frequências são re-usadas noutras células que se encontram geograficamente separadas para evitar a interferência. No entanto, em sistemas baseados em CDMA a mesma frequência pode ser utilizada em todas as células.. 3.2 Propriedades do Canal Rádio Ao contrário de sistemas de comunicações fixas, o canal de comunicação dos sistemas de comunicações rádio é o espaço livre. Portanto, uma total familiarização com as características de propagação das ondas rádio é um pré-requisito para o desenvolvimento de sistemas rádio móvel. Em princípio, as equações de Maxwell explicam todos os fenómenos de propagação de ondas. Contudo, quando usado em ambientes rádio, este método pode resultar em cálculos relativamente complexos, portanto, métodos apropriados foram desenvolvidos para determinar as características do canal de propagação rádio [19]. A natureza variante no tempo do canal rádio torna a caracterização e análise do canal uma questão importante. Num cenário móvel, a natureza variante no tempo do canal é uma consequência da mobilidade relativa entre o transmissor e receptor, variação do meio envolvente, etc. Num canal rádio ideal, o sinal recebido seria constituído apenas pela componente de caminho directo, no entanto, num cenário real o sinal rádio é modificado durante a propagação no canal (Figura 3.2). O sinal recebido é uma combinação de réplicas atenuadas, difractadas, refractadas e reflectidas do sinal transmitido, bem como do ruído provocado pelo canal. Pode ainda sofrer um desfasamento na frequência da portadora se o transmissor ou o receptor estiverem em movimento – efeito de Doppler. A compreensão destes efeitos torna-se determinante, dada a dependência do desempenho dos sistemas de comunicações móveis nas características do canal de propagação. 19.

(48) Técnicas de Cross-Layer para Optimização do Desempenho em Comunicações Móveis. Percursos. Figura 3.2 – Efeitos da propagação do canal rádio. O canal de propagação num ambiente rádio pode ser descrito com base em três componentes: atenuação, desvanecimento lento (shadowing) e desvanecimento rápido (fastfading). A soma total das três componentes descreve o resultado do decréscimo de potência (pathloss) total ocorrido na propagação do sinal entre o transmissor e o receptor. 3.2.1 Atenuação A atenuação representa a variação do valor médio de potência do sinal recebido em função da distância ao transmissor. A equação de transmissão de Friis [20] dá-nos a potência recebida em espaço livre.. ⎛ λ ⎞ Pr = Pt Gt Gr ⎜ ⎟ ⎝ 4πR ⎠. 2. (3.1). Na equação (3.1), Pr denota a potência recebida, Pt é a potência transmitida, λ representa o comprimento de onda da portadora RF, R denota a distância entre a transmissão e a recepção e Gt e Gr são os ganhos da antena de transmissão e recepção, respectivamente. A atenuação provocada pela propagação no canal rádio é dependente da frequência do sinal transmitido, isto é, algumas gamas de frequências sofrem uma maior atenuação do que outras. Por exemplo, na gama de frequência perto dos 12 GHz a atenuação torna-se mais forte quando o tempo está enevoado ou a chover, devido à dispersão e absorção das ondas electromagnéticas nas gotas de água.. 20.

(49) Capítulo 3 – Princípios e Técnicas em Comunicações Móveis. A propagação em espaço livre é extremamente previsível, e pode ser usada para modelar o canal de propagação de comunicações por satélite, ou comunicações ponto a ponto sem obstruções. No entanto, para comunicações móveis terrestres, as condições e ambiente de propagação são muito mais complexas, fazendo com que a modelação do canal de propagação se torne mais complicado. Neste contexto, são usados modelos empíricos baseados em expressões analíticas derivadas de campanhas de medidas realizadas em determinados ambientes. Exemplos disso são os modelos empíricos de propagação apresentados por Okumura e Hata [21, 22]. 3.2.2 Desvanecimento Lento. A uma determinada distancia do transmissor, ocorrem variações em torno do valor médio da atenuação, devido à obstrução provocada pelos objectos existentes no meio de propagação. Este efeito é designado por desvanecimento lento (shadowing). A quantidade do desvanecimento depende do tamanho dos objectos, bem como da estrutura do material. O desvanecimento lento pode ser modelado ou caracterizado estatisticamente por uma distribuição log-normal [23]. A função de distribuição de probabilidade da potência recebida vem dada por: ⎡ (Pr − Pr 0 )2 ⎤ f Pr (Pr [dB ]) = exp ⎢− ⎥ 2σ P2 r ⎦⎥ 2π σ Pr ⎣⎢. 1. (3.2). Na equação (3.2), Pr representa a potência recebida em dB e Pr0 denota o valor médio de potência, também em dB. Valores entre 6 e 8 dB são típicos para o valor do desvio padrão (σPr). 3.2.3 Desvanecimento Rápido. Uma das características que distinguem o canal rádio é a propagação multi-percurso, na qual o sinal recebido é constituído por componentes múltiplas originadas por reflexões, difracções e dispersões, bem como, possivelmente a componente directa de linha de vista (LOS). Uma vez que todas as componentes percorrem diferentes distâncias e sofrem várias reflexões, as suas fases na recepção são, naturalmente, diferentes. As fases relativas dos sinais recebidos variam com a mobilidade do utilizador. Dependendo das fases relativas. 21.

(50) Técnicas de Cross-Layer para Optimização do Desempenho em Comunicações Móveis. dos sinais, eles podem interferir construtivamente ou destrutivamente, dando origem a variações rápidas (fastfading) na potência do sinal (Figura 3.3).. 5. Potencia Normalizada (dB). 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 0.1. 0.2. 0.3. 0.4. Tempo (s). 0.5. 0.6. Figura 3.3 – Componente de desvanecimento rápido (fastfading). A diferença no comprimento dos caminhos percorridos entre as componentes de multi-percurso dá origem a que as mesmas cheguem ao receptor com diferentes atrasos. Esta diferença relativa de fases dos sinais levará à interferência entre símbolos (ISI), se a diferença for significativa em relação à duração de símbolo. O sinal recebido pode ser representado através da sobreposição de todas as componentes recebidas, como se apresenta na seguinte equação [24]. N. x(t ) = ∑ α n (t )e jφn s[t − τ n (t )]. (3.3). n =1. Na equação (3.3), x(t) representa o sinal recebido, αn(t) o coeficiente de atenuação,variante no tempo, do n-ésimo caminho, φn(t) representa o desfasamento de fase, variante no tempo, associado ao n-ésimo caminho, s(t) denota o sinal original transmitido e τn(t) traduz o atraso, variante no tempo, do n-ésimo caminho. O desvanecimento rápido pode ser caracterizado estatisticamente por uma distribuição de Rayleigh ou de Rice [25], dependendo da existência, ou não, de linha de vista (LOS). Os atrasos de propagação são tipicamente caracterizados por uma distribuição exponencial, e o número de componentes multi-percurso segue uma distribuição de Poisson [26].. 22.